三元催化器

三元催化器，全称三元催化净化器，是安装在汽油机排气系统中的机外净化装置。该装置可以通过氧化和还原作用将有害气体如一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物转化为无害的二氧化碳、水和氮气，从而优化废气排放并减少汽油发动机对空气的污染。

三元催化转化器最早出现在19世纪末的法国，由法国化学家米歇尔·弗伦克尔于1909年提出。法国人尤金·侯德利（Eugene Houdry）于1930年开始关注烟雾和汽车尾气造成的污染，1952年，他开发了一种催化转化器并注册了专利。20世纪70年代初，美国政府发起了“清洁空气”运动，要求到1975年，机动车的污染物排放量必须减少75%。同时，始于1973年的含铅汽油淘汰计划也促进了催化转化器的发展。同年，世界上第一台量产的催化转化器诞生。1981年，三元催化转化器被应用于美国和加拿大的汽车上。催化转化器可以处理的有害物质从一氧化碳和碳氢化合物变成了氮氧化物、一氧化碳和碳氢化合物，因此得名三元催化转化器。1981年后，各国逐渐在汽车排放法规中增加了对汽油车三元催化的规定，三元催化技术得到普及。

三元催化器根据材质不同可分为氧化铝三元催化器和陶瓷三元催化器。三元催化器一般由金属外壳、陶瓷密封垫、催化剂涂层和陶瓷载体组成。其工作原理是当高温有害气体通过净化装置时，三元催化器中的净化剂会增强一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物的活性，促使它们进行一定的氧化还原反应。三元催化器通过氧传感器控制空燃比反馈，可以净化废气，提高汽油机性能，保护环境。随着汽车竞争的加剧，催化剂的供应将突飞猛进。在技术方案方面，随着贵金属价格的上涨，低铑配方、薄壁涂层以及如何延长三元催化器的使用寿命成为未来发展趋势。

三元催化转化器是最终决定汽油机机械废气污染程度的关键部件。它的材料是氧化铝，外壳由不锈钢制成，内部是带有净化剂的网状结构。其工作原理是:当400~800℃的高温汽油机尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂会增强一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物三种气体的活性，促使它们进行一定的氧化还原化学反应，其中一氧化碳在高温下被氧化成无色无毒的二氧化碳气体；碳氢化合物在高温下被氧化成水（H2O）和二氧化碳；氮氧化合物被还原成氮气和氧气。三种有害气体变成无害气体，使汽油机尾气得到净化。

三元催化器主要由壳体、阻尼层、载体和催化剂涂层组成。一般来说，人们习惯称催化剂涂层或载体和涂层为催化剂。其中，三元催化器的外壳用于防止催化剂因氧化皮剥落而堵塞；减振层主要起到减振、消除热应力、固定载体、保温和密封的作用；至于载体和催化剂涂层，它们分别用于承载催化剂和催化气体。

壳：三元催化器的壳体是整个三元催化器的外部支撑部分，其作用是防止催化剂因氧化皮剥落而堵塞。三元催化转化器的外壳由不锈钢板制成。一些三元催化器的外壳是双层结构，以减少外部热辐射并保证三元催化器的反应温度。由于三元催化器对车身地板的高温辐射，三元催化器在进入加油站时可能会引起火灾，因此一些三元催化器外壳的表面装有半周或全周隔热罩。

阻尼层：阻尼层（也称为缓冲层）是夹在载体和外壳之间的由柔软和耐高温材料制成的缓冲层。其作用是使载体牢固地处于壳体中，防止载体因振动而位移和损坏，同时可以补偿陶瓷载体与金属壳体之间因热胀冷缩而产生的间隙，保证载体周围的气密性，并使废气尽可能多地通过催化载体。同时，阻尼层还具有良好的隔热能力，因此还可以降低载体内部的温度梯度，减少载体承受的热应力和壳体的热变形。阻尼层的常见材料有两种:金属和陶瓷，形式为金属网垫和陶瓷垫片。

载体：三元催化器的载体位于三元催化器的排气管中，其作用是承载催化剂。早期使用氧化铝球形载体作为催化剂，具有磨损快、阻力大的缺点，目前尚未使用。美国康宁公司在20世纪70年代发明了陶瓷蜂窝载体，并占据了主导地位。据统计，截至2019年，全球90%的三元催化器为陶瓷载体，其余为金属载体。美国康宁公司和日本NGK公司生产的陶瓷载体年产量超过95%。陶瓷载体由堇青石通过挤压和烧结制成，金属载体由不锈钢波纹板卷制成。金属载体具有几何表面积大、流动阻力小、加热快和机械强度高的特点，但成本较高，主要用于紧凑型偶联催化剂和摩托车催化剂以控制冷启动排放。

催化剂涂层：三元催化器的催化涂层位于载体通道的壁上，载体通道的壁上涂有非常疏松的修补基面涂层，这就是催化剂涂层。催化剂涂层主要是γ-氧化铝，粗糙和多孔的表面可以将壁的实际催化反应表面积放大约7000倍。作为活性材料的贵金属如铂（Pt）和钯（Pd）以及作为助催化剂组分的稀土材料如钡（Ba）和镧（La）也散布在涂层表面上。其中，铂和钯是氧化催化剂，催化CO和HC的氧化，铑是还原催化剂，催化NOX的还原。钯的价格低于铂，性能接近铂。根据催化剂工作原理的不同，可分为氧化催化剂、还原催化剂、三元催化剂和稀燃催化剂。

根据材料的不同，三效催化剂可分为氧化铝载体三效催化剂、蜂窝陶瓷载体三效催化剂和蜂窝金属载体三效催化剂。

氧化铝三效催化剂：氧化铝是应用最广泛的催化剂载体，是早期的催化剂载体。它具有磨损快、阻力大的特点，已不再用于汽车催化剂。载体主要包括γ-al2o 3和α-al2o 3两种相，通常由各种铝盐或铝酸盐通过水解和焙烧制成，根据不同的焙烧温度可以获得几种晶相。

1.加热至450℃~500℃生成相；

2.当加热到300℃~1000℃时，出现几个过渡相，η、κ、δ；可以根据不同的反应路线得到；

3.当加热到900℃~1000℃时，可以得到几乎无水的氧化铝，-al2o 3开始转变；

4.当加热到1200℃时，它完全转化为α-al2o 3。

从晶体学的角度来看，这些相可以概括为两类:、γ和相属于尖晶石结构；，属于六方晶系。氧化铝分解的复杂性主要取决于颗粒的种类和孔的结构，而不是晶体结构。在氧化铝的焙烧过程中加入二氧化硅、稀土元素镧和二价过渡金属如钙、镁或钡可以提高氧化铝的热稳定性。

蜂窝陶瓷三效催化剂：蜂窝陶瓷三元催化器的催化剂载体材料一般为堇青石，它是一种铝镁硅酸盐，化学组成为2 al2o 3·2 MgO·5 SiO 2，具有比表面积低、传热系数低的特点，一般用于汽车尾气处理的三元催化器。根据图中堇青石的理化性能可知，堇青石具有热膨胀系数低、抗热震性好、热稳定性好的特点，适用于汽车尾气突变的环境。堇青石的热导率与其化学成分和孔隙率有关。此外，堇青石还具有良好的机械强度和抗冲击性，这取决于材料的性质和载体的几何形状，如孔隙率、壁厚和总密度。

蜂窝陶瓷三元催化器的催化剂载体的比表面积相对较低，因此通常在其壁上涂覆多孔材料以负载活性组分，通常选择氧化铝及其与其他氧化物的混合物。蜂窝陶瓷有两种制备方法。一种是波纹板压制法，其中载体用无机氧化物或盐浸渍，然后用合适的纤维增强，用波纹板轧制和堆叠，最后在高温下烘烤。第二种是挤出成型，通过将非精细粉末材料与增塑剂和粘合剂捏合，然后挤出，干燥和烘烤制成。大多数陶瓷载体是通过挤压制备的。陶瓷载体是应用最广泛的载体。

蜂窝状金属三元催化剂：蜂窝金属三元催化器的催化剂载体具有耐冲击、几何面积大、流阻小、升温快等特点，但其成本较高。它通常用于紧凑型耦合催化转化器和摩托车催化转化器，以控制冷启动排放。浸渍和活化的方法与蜂窝陶瓷三效催化剂的载体不同。对于金属载体，涂覆底层的方法不适用。由于金属和涂覆在其上的氧化物的热膨胀系数不同，很容易导致涂层脱落，因此对于金属载体，通常采用蚀刻和氧化的方法在金属表面形成氧化层，因此氧化层来自金属表面的一部分，因为它不容易脱落。这种金属氧化物的表面可以进一步浸渍具有催化活性的物质。

蜂窝金属三元催化器的催化剂载体也可以加工成网状，通过表面氧化处理和催化活性处理，获得高催化活性表面，并进一步加工成各种尺寸的网状筛网，装入催化器中。金属载体的特点是易于制成各种形状，具有冲击弹性大、几何面积大、循环阻力小、加热快等特点，但成本较高。

点火温度特性：催化转化器的转化效率与温度密切相关，催化转化器只有在达到一定温度（即起燃稳定温度）时才能开始工作。转换效率随温度变化的曲线称为起燃温度特性，如图所示，转换效率达到50%时的温度称为起燃温度T50。

空燃比特性：催化转化器的转化效率还与空燃比A/F（或过量空气系数λ）有关。下图为三元催化转化器的空燃比特性曲线。从图中可以看出，在理论空燃比（）附近，三元催化器对一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物的转化效率同时达到最高。为了在实际使用中满足这一条件，有必要在闭环中控制燃料供应系统和氧传感器。

空速特性：空速（Space velocity）定义为每小时流经催化剂的废气体积流量（换算成标准状态）与催化剂体积的比值，表示反应气体在催化剂中的停留时间。如图所示，虽然性能较差的催化转化器在怠速时表现出较高的转化效率，但在汽车行驶时，转化效率实际上很低。

优势

1.性能稳定、质量可靠。三元催化转化器使用高效催化剂，催化剂通常由贵金属（如铂、钯、铑等）组成。).这些贵金属具有良好的催化活性和稳定性，能有效催化尾气中的化学反应并长时间保持催化效果。

3.使用寿命长。三元催化器使用寿命长，易于维护，因此在使用过程中无需担心频繁更换。

劣势

1.降低车辆性能。三元催化转换器在工作过程中会限制有害气体的流动，从而降低发动机的输出功率。

2.它是昂贵的。由于三元催化剂中含有的铂、钯和铑等贵金属的开采和提炼成本较高，因此三元催化剂的价格也较高。如果三元催化器损坏需要更换，价格会更贵。

3.会有堵塞。三元催化器使用不当会造成堵塞，降低三元催化器的效率。

4.温度敏感性高。三元催化转化器对温度变化很敏感。如果发动机过热或过冷，它可能无法正常工作，从而导致废气排放增加和燃油效率下降。

三元催化转化器是降低汽油机排放的重要装置。它可以通过化学反应将有害气体转化为无害气体，同时，它还可以降低汽车的噪音和振动。其主要职能是:

三元催化器

1.三元催化器可以通过氧传感器控制空燃比反馈，将空燃比控制在理论空燃比附近。当可燃混合物的浓度很高而氧气太少时，催化剂本身会释放氧气以促进碳氢化合物或一氧化碳的氧化；当可燃混合物的浓度较低且氧气过多时，氧气将被储存，碳氢化合物将与一氧化碳反应变成水和二氧化碳；当未燃烧气体因熄火而产生异常热量时，促进化学反应的能力如表面积减小、成分变化和重金属浓度降低。

2.提高汽油发动机的性能，延长其使用寿命。三元催化转化器可以改善汽油机的性能，减少废气排放，并将有害物质转化为无害物质，从而减少排气管中的积碳和污垢，减少汽油机和排气系统的腐蚀和损失，提高汽油机的燃烧效率和动力性能。此外，三元催化器还可以降低汽车的噪音和振动，提高驾驶的舒适性和安全性。

3.净化尾气保护环境。三元催化器可以过滤汽油发动机排放的有害气体，并将其转化为无害的二氧化碳、水和氮气。这样，尾气中的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物被氧化成无毒、无色的二氧化碳气体，而氮氧化合物被还原成氮气，减少了尾气对环境的污染，使尾气排放更清洁，降低了尾气中污染物的浓度，减少了空气污染，从而保护了环境。这对于保护人类健康和生态平衡具有重要意义。